ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NÔNG MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU
VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM
CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NÔNG MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU
VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM
CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI

Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 60420107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................
MỤC LỤC .....................................................................................................................
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1 Ô NHIỄM NƢỚC TẠI VIỆT NAM .................................................................3
1.2 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ .5
1.3 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU
XỬ LÝ.....................................................................................................................7
1.3.1 Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật...........................................7
1.3.2 Cảm biến sinh học vi sinh vật ........................................................................9
1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT ..................................................................12
1.4.1 Các loại Thiết kế MFC .................................................................................15
1.4.2 Vật liệu cấu tạo MFC ...................................................................................17
1.4.2.1 Vật liệu cho điện cực .................................................................................17
1.4.2.2 Màng trao đổi ion......................................................................................19
1.4.3 Vật liệu tạo khung cho MFC ........................................................................22
1.4.4 Ứng dụng của MFC ......................................................................................23
1.5 HỆ VI SINH VẬT TRONG MFC ..................................................................24
1.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT TRONG MFC ........27
Chƣơng 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................29


2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ............................................................................29
2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ ........................................................................29
2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu ...............................................30
2.2 CÁC THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......31
2.2.1 Lựa chọn thiết kế tối ƣu cho MFC ...............................................................31

PHỤ LỤC ......................................................................................................................


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

AEM

Anion exchange membrane

Màng anion

BH

-

Nguồn quần xã từ bùn hoạt tính

Biochemical oxigen demand

Nhu cầu oxy sinh hóa

BPM

Bipolar membrane

ĐT

-

Nguồn quần xã từ đất tự nhiên

HH

-

Nguồn quần xã từ hỗn Hợp

MFC

Microbial fuel cell

Pin nhiên liệu vi sinh vật

NT

-

Nguồn quần xã từ nƣớc thải

PCR

Polymerase Chain Reaction

Phản ứng chuỗi trùng hợp


Hình 18: Hệ thống MFC vận hành trong phòng thí nghiệm .....................................34


Hình 19: Biểu đồ hiệu điện thế MFC trong quá trình làm giàu (BOD 50 ppm) .......47
Hình 20: Hiệu điện thế MFC khoang hình hộp chữ nhật sau quá trình làm giàu
(BOD 50 ppm)...........................................................................................................49
Hình 21: Hiệu điện thế MFCs khoang hình trụ sau quá trình làm giàu ....................49
Hình 22: MFC khoang hình hộp chữ nhất ................................................................51
Hình 23: MFC khoang hình trụ .................................................................................51
Hình 24: MFC khoang hình hộp chữ nhất ................................................................52
Hình 25: MFC khoang hình trụ .................................................................................52
Hình 26: Quá trình làm giàu MFC với nguồn quần xã khác nhau ............................54
Hình 27: So sánh dòng điện sau quá trình làm của MFC tại hai thời điểm có khoảng
là cách 20 ngày ..........................................................................................................56
Hình 28: Ảnh phân lập mẫu điện cực anode từ MFC đã đƣợc làm giàu thành công 57
Hình 29: Tỷ lệ phần trăm số chủng vi khuẩn phân lập đƣợc từ điện cực anode tại
các MFC ....................................................................................................................59
Hình 30: Kết quả kiểm tra sản phẩm PCR gen 16s rRNA và vùng V3 ....................60
Hình 31: Kết quả phân tích gen 16S rRNA bằng DGGE của các mẫu quần xã vi
khuẩn trong các nguồn khác nhau và các mẫu quần xã vi khuẩn từ điện cực anode
của các MFC làm giàu từ các nguồn .........................................................................62
Hình 32: Kết quả phân tích tƣơng quan của các quần xã vi khuẩn đƣợc nghiên cứu
dựa trên kêt quả DGGE (bằng cách sử dụng phần mềm NTSYSpc 2.0) ..................63
Hình 33: Biểu đồ dòng điện trung bình của MFC thử nghiệm với các nồng độ BOD
khác nhau trong dung dịch nƣớc thải mô phỏng ở anode .........................................67
Hình 34: Vị trí các băng DNA trên DGGE đƣợc thôi gel và đem giải trình tự ..........1


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Đặc trƣng thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp ..................3

cáo môi trường quốc gia-Báo cáo môi trường khu công nghiệp Việt Nam.
3. Tổng Cục Đo Lƣờng Chất Lƣợng Việt Nam. Bộ khoa học và công nghệ (2011).
QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP
QCVN 40:2011/BTNMT.
4. Trung tâm quan trắc môi trƣờng. Tổng cục môi trƣờng Việt Nam (2012). Báo
cáo môi trường nước mặt Việt Nam.
TÀI LIỆU TIẾNG ANH
5. Aelterman, P., và cộng sự (2008), “The anode potential regulates bacterial
activity in microbial fuel cells”. Applied Microbiology and Biotechnology.
78(3): pp. 409-418.
6. Afkar, E., và cộng sự (2005), “A novel Geobacteraceae-specific outer
membrane protein J (OmpJ) is essential for electron transport to Fe (III)
and Mn (IV) oxides in Geobacter sulfurreducens”. Bmc Microbiology. 5.
7. Amann, R.I., W. Ludwig, và K.H. Schleifer (1995), “Phylogenetic identification
and in situ detection of individual microbial cells without cultivation”.
Microbiol Reviews. 59(1): pp. 143-69.
8. Andrew, S.K., D.S. James, và K.B. Sandra (2005), “Fish models in behavioral
toxicology”. Techniques in Aquatic Toxicology, Volume 2, CRC Press.
9. Bae, M.-J. và Y.-S. Park (2014), “Biological early warning system based on the
responses of aquatic organisms to disturbances: A review”. Science of The
Total Environment. 466–467(0):p p. 635-649.
10. Beveridge, T.J. (2004), “Composition, Reactivity and Regulation of
Extracellular Metal-Reducing Structures (Bacterial Nanowires) Produced
by Dissimilatory Metal - Reducing Bacteria”. pp. Medium: ED.
11. Bond, D.R. và D.R. Lovley (2005), “Evidence for involvement of an electron
shuttle in electricity generation by Geothrix fermentans”. Applied and
Environmental Microbiology. 71(4): p. 2186-2189.
12. Chakravorty, S., và cộng sự (2007), “A detailed analysis of 16S ribosomal RNA
gene segments for the diagnosis of pathogenic bacteria”. Journal
Microbiol Methods. 69(2): pp. 330-9.

Shewanella

oneidensis

strain

MR-1

and

other

microorganisms”. Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America. 103(30): pp. 11358-63.
21. Heijne ter, A., và cộng sự (2006), “A Bipolar Membrane Combined with Ferric
Iron Reduction as an Efficient Cathode System in Microbial Fuel Cells”.
Environmental Science & Technology. 40(17): pp. 5200-5205.
22. Huang, J.S., và cộng sự (2014), “Performance evaluation and bacteria analysis
of AFB-MFC enriched with high-strength synthetic wastewater”. Water
Science Technol. 69(1): pp. 9-14.
23. Kang, K.H., và cộng sự (2003), “A microbial fuel cell with improved cathode
reaction as a low biochemical oxygen demand sensor”. Biotechnology
Letters. 25(16): pp. 1357-1361.

71


24. Kim, B.H., I.S. Chang, và G.M. Gadd (2007), “Challenges in microbial fuel cell
development and operation”. Applied Microbiology and Biotechnology.
76(3): pp. 485-494.

during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell”.
Environmental Science & Technology. 38(7): pp. 2281-2285.
35. Liu, J., G. Olsson, và B. Mattiasson (2004), “Short-term BOD (BODst) as a
parameter for on-line monitoring of biological treatment process: Part I. A
novel design of BOD biosensor for easy renewal of bio-receptor”.
Biosensors and Bioelectronics. 20(3): pp. 562-570.
36. Liu, J., G. Olsson, và B. Mattiasson (2004), “Short-term BOD (BODst) as a
parameter for on-line monitoring of biological treatment process: Part II:

72


Instrumentation of integrated flow injection analysis (FIA) system for
BODst estimation”. Biosensors and Bioelectronics. 20(3): pp. 571-578.
37. Logan, B.E. (2006), “Microbial fuel cells: methodology and technology”.
Environmental Science & Technology. 40: pp. 5181-5192.
38. Logan, B.E. (2008), Microbial Fuel Cells. Nature Publishing Group.
39. Logan, B.E. (2009), “Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells”.
Nature Reviews Microbiology. 7(5): pp. 375-381.
40. Logan, B.E., và cộng sự (2004), “ A state of the art review on microbial fuel
cells: Methodology and technology”. Environmental Science & Technology.
27(28): pp. 1456-1462.
41. Logan, B.E. và J.M. Regan (2006), “Electricity-producing bacterial
communities in microbial fuel cells”. Trends in Microbiology. 14(12): pp.
512-518.
42. Lower, S.K., M.F. Hochella, Jr., và T.J. Beveridge (2001), “Bacterial
recognition of mineral surfaces: nanoscale interactions between
Shewanella and alpha-FeOOH”. Science. 292(5520): pp. 1360-3.
43. Luo, J., và cộng sự (2013), “A new electrochemically active bacterium
phylogenetically related to Tolumonas osonensis and power performance

101(6): pp. 1533-1543.
53. Park, H.I., và cộng sự (2008), “Bacterial communities on electron-beam Ptdeposited electrodes in a mediator-less microbial fuel cell”. Environmental
Science & Technology. 42(16): p. 6243-9.
54. Pawlowski, L. (1994), Standard methods for the examination of water and
wastewater, 18th edition. Science of The Total Environment, 1994.
55. Peixoto, L., và cộng sự (2011), “In situ microbial fuel cell-based biosensor for
organic carbon”. Bioelectrochemistry. 81(2): pp. 99-103.
56. Pham, C.A., và cộng sự (2003), “A novel electrochemically active and Fe(III)reducing bacterium phylogenetically related to Aeromonas hydrophila,
isolated from a microbial fuel cell”. FEMS Microbiol Lett. 223(1): pp.
129-34.
57. Pham, T.H., và cộng sự (2008), “Metabolites produced by Pseudomonas sp.
enable a Gram-positive bacterium to achieve extracellular electron
transfer”. Applied Microbiology and Biotechnology. 77(5): pp. 1119-1129.
58. Pham, T.H., và cộng sự (2008), “Use of Pseudomonas species producing
phenazine-based metabolites in the anodes of microbial fuel cells to
improve electricity generation”. Applied Microbiology and Biotechnology.
80(6): pp. 985-93.
59. Rabaey, K., và cộng sự (2005), “Microbial phenazine production enhances
electron transfer in biofuel cells”. Environmental Science & Technology.
39: pp. 3401-3408.
60. Rabaey, K., và cộng sự (2005), “Tubular microbial fuel cells for efficient
electricity generation”. Environmental Science & Technology, 2005.
39(20): pp. 8077-8082.
61. Reguera, G., và cộng sự (2005), “Extracellular electron transfer via microbial
nanowires”. Nature. 435(7045): pp. 1098-1101.
62. Ronald, M.A (2005), Contents, in Handbook of Media for Environmental
Microbiology, Second Edition. CRC Press.

74


72. You, S.J., và cộng sự (2006), “Sustainable approach for leachate treatment:
Electricity generation in microbial fuel cell”. Journal of Environmental
Science and Health Part a-Toxic/Hazardous Substances & Environmental
Engineering. 41(12): pp. 2721-2734.
73. Zeng, Y., X.e. Fu, và Z. Ren (2012), “The Effects of Residual Chlorine on the
Behavioural Responses of Daphnia magna in the Early Warning of
Drinking Water Accidental Events”. Procedia Environmental Sciences.
13(0): p. 71-79.

75


74. Zhang, X., và cộng sự (2010), “Improved performance of single-chamber
microbial fuel cells through control of membrane deformation”.
Biosensors and Bioelectronics. 25(7): p. 1825-1828.

76